Co to jest epigenetyka – dr Nessa Carey – Dlaczego Twoje DNA nie jest Twoim przeznaczeniem

Co to jest epigenetyka – dr Nessa Carey – Dlaczego Twoje DNA nie jest Twoim przeznaczeniem

Epigenetyka – dlaczego Twoje DNA nie jest Twoim przeznaczeniem

 

Wspaniale być tutaj w Royal Institution, to taka frajda, to fantastyczne i świetnie, że mam okazję opowiedzieć wam o epigenetyce, która jest w gruncie rzeczy bardzo nową dziedziną biologii i w której dzieje się wiele nowatorskich rzeczy, ale którą uwielbiam, ponieważ po części zrodziła się z naprawdę zwyczajnych, prostych pytań. I sądzę, że czasami na tym polega prawdziwe piękno współczesnej biologii. Tak więc o tym będę mówiła. Sprawdzam tylko która godzina, bo nie widać stąd zegara, kiedy gasną światła. Okej. Zaczynamy. Nie da się mówić o epigenetyce bez wspominania o genetyce, prawda? Oto ilustracja przedstawiająca słynną podwójną helisę DNA.

Transformacja epigenetyczna: Jesteś tym, co jedli Twoi dziadkowie – dr Pamela Peeke

Ogłoszenie po raz pierwszy w 2001 roku sekwencji ludzkiego genomu wywołało ogromny szum. Padło trochę bardzo zabawnych wypowiedzi. Odbyła się wielka konferencja prasowa, a ten cytat w lewym, górnym rogu: „Dzisiaj uczymy się języka, w jakim Bóg stworzył życie”… Powiedział to prezydent Bill Clinton. Nie potrafię sobie wyobrazić jakie to wzbudziło uczucia na sali pełnej naukowców prezentujących dorobek swojego życia, że zjawia się polityk i zaczyna mówić o Bogu. To musiała być wspaniała chwila. Cytat na dole nie jest prawdę mówiąc dużo mniej przereklamowany. Jego autorem jest Michael Dexter, były szef Wellcome Trust, który włożył olbrzymią kwotę w ten projekt. Opisał on sekwencję ludzkiego genomu jako „wyjątkowe osiągnięcie w historii ludzkości”. Sądzę, że moglibyśmy zgłosić tu pewne zastrzeżenie.

Pisany alfabet, koło, ogień, cyfra zero – można utrzymywać, że wszystko to miało odrobinę większy wpływ.

Jednak sekwencja ludzkiego genomu to wielka rzecz. Ludzki genom, nasze DNA, składa się z czterech liter, ale te 4 litery wykorzystywane są wciąż od nowa, aby stworzyć tę niezwykłą siłę, czyli nas. W rzeczywistości dziedziczymy 3 tysiące milionów tych liter od matki i 3 tysiące milionów od ojca. Zatem 3 miliardy liter od każdego rodzica. Czasem jednak wystarczy, że tylko jedna z nich jest nieprawidłowa i można zachorować na niszczycielską chorobę. Tak więc sekwencja genomu jest naprawdę ważna. Ale na niej nie koniec. Wiemy to od dawna, ponieważ od dawna znamy zjawiska epigenetyczne. Wyjaśnię ten termin za chwilę, ale pozwólcie, że najpierw podam wam kilka przykładów.

 

 

Można krzyżować myszy laboratoryjne i muszę was ostrzec, że jeśli ktoś naprawdę lubi myszy, to będą się one często pojawiać w tej prezentacji nie zawsze w przyjemnym kontekście. Tak czy inaczej, można krzyżować myszy laboratoryjne i można je trzymać w absolutnie identycznych warunkach, tak że są do tego stopnia endogamiczne, że genetycznie stają się takie same i warunki laboratoryjne są dokładnie takie same, a jednak myszy nie są identyczne. Różnią się na przykład pod takimi względami, jak waga ciała. Wiadomo o tym od tak dawna, od co najmniej lat 20-tych, że nadano temu konkretną nazwę jako zjawisku. Nazwano to szumem rozwojowym [plastyczność fenotypowa].

Tak, dokładnie. To przepiękny przykład tego, jak w biologii obserwujemy coś, czego nie rozumiemy i nadajemy temu wymyślną nazwę i w pewnym sensie odkładamy to na bok. Larwa i mucha. Larwa i mucha wyglądają zupełnie inaczej, a jednak mają ten sam kod genetyczny. Muszą mieć, nie istnieje żadna genomowa wróżka, która przybywa i daje larwie nowy zestaw genów, gdy ta przepoczwarza się w dorosłą muchę.

Krokodyle. U ssaków naprawdę łatwo jest rozpoznać płeć. Gdybym pobrała DNA od tego pana tutaj i tej pani i naprawdę radzę wam, żebyście wykonali to prawidłowo – ja to zrobiłam w bardzo ciemnym audytorium… Coś okropnego, nigdy do końca się z tego nie otrząsnęłam. Gdybym pobrała DNA od tych dwóch osób i sekwencjonowała je, byłabym w stanie powiedzieć które pochodzi od mężczyzny, a które od kobiety, ponieważ u ssaków płeć jest określona przez to czy mamy czy też nie mamy chromosomu Y.

Gdybym pobrała DNA od samca krokodyla i samicy krokodyla i sekwencjonowała je, nie byłabym w stanie powiedzieć które pochodzi od samca, a które od samicy, gdyż u krokodyli, tych niezwykłych potomków dinozaurów, płci nie określa genetyka. Jest ona zdeterminowana temperaturą, w jakiej rozwijają się jaja. Tak. I może to być bardzo dziwny skutek globalnego ocieplenia, że będziemy obserwować zniekształcenie w populacji krokodyli. Jakbyśmy nie mieli dość zmartwień, prawda? Zatem we wszystkich tych sytuacjach występują scenariusze, w których dwie rzeczy są genetycznie nieodróżnialne, a jednak te rzeczy różnią się od siebie.

Znamy je jako zjawiska epigenetyczne. Zasadniczo dwie rzeczy są genetycznie identyczne, a jednak pod względem swojego fenotypu, tego jak wyglądają, są od siebie różne.

 

Co to jest epigenetyka

 

Słowo „epi” pochodzi po prostu z języka greckiego i oznacza „dodać”, „oprócz”, „jak również”. Znaczy to, że działa coś innego oprócz kodu genetycznego.

Wszystko to są bardzo ładne przykłady działania epigenetyki, ale istnieje jeden, który jest jeszcze lepszy. Właściwie na tej sali znajduje się 300 jej przykładów, ponieważ każdy z nas, my wszyscy, jesteśmy arcydziełami epigenetyki. Każdy z nas zaczyna się od jednej komórki, a kończy się na tym, że jesteśmy zbudowani z około 70 bilionów komórek. Żeby dać wam pojęcie jak wielka to liczba… Gdybym wzięła tę panią i rozłożyła ją na poszczególne komórki, czego nie zrobię, i dała je tamtej pani do policzenia i powiedziałabym:

„Musi pani policzyć jedną komórkę na sekundę. A kiedy pani skończy, może pani iść na kawę”,

wypiłaby swoją kawę za półtora miliona lat. Uwielbiam tę liczbę częściowo dlatego, że naprawdę pokazuje, jak bardzo skomplikowana jest nasza budowa, a częściowo dlatego, że około 15 procent osób na sali siedzi i próbuje obliczyć w swojej głowie czy dobrze to policzyłam. Czyli mogę mówić wszystko, co chcę przez następne 10 minut – to wspaniałe.

Tak więc ludzki organizm składa się z olbrzymiej liczby komórek i z wyjątkiem maleńkiego ich procenta w naszym układzie odpornościowym, wszystkie te komórki są dokładnie takie same na poziomie genetycznym. Wszystkie mają dokładnie taki sam kod DNA, a jednak komórki nerek różnią się od komórek wątroby. Komórki skóry różnią się od…nie mogę nic wymyślić…od komórek mózgu. O proszę bardzo. I różne rodzaje komórek nie tylko się różnią, ale pozostają różne. To dlatego nie macie zębów w gałkach ocznych, prawda? Chciałam zatytułować swoją pierwszą książkę „Nie ma zębów w gałkach ocznych”, ale moi wydawcy powiedzieli, że brakuje temu pewnej powagi.

Jesteśmy zatem zjawiskiem epigenetycznym. I w zasadzie powinno nas prowadzić do postawienia najważniejszego pytania w biologii. Najważniejszym pytaniem w biologii jest zawsze „jak?” Jak to możliwe, że pojedynczy genom DNA, jeden zestaw instrukcji, może prowadzić do tak wielu różnych wyników? Dlaczego mam co najmniej 200 różnych rodzajów komórek, a wszystkie pochodzą z tego samego kodu DNA?

Myślę o tym w taki sposób, że DNA to scenariusz, a nie szablon i że można zmienić scenariusz, a zmieniając go, czyli przyklejając na nim samoprzylepne karteczki, pisząc ołówkiem i tak dalej, można uzyskać różne rezultaty. Tam podałam na to przykłady. Dwa filmy, które dzieli ok. 60 lat. Wykorzystano w nich ten sam scenariusz. Co to za film? Bardzo dobrze, „Romeo i Julia”. Okej, jak nazywają się aktorzy w czarno-białym filmie? Leslie Howard i Norma Shearer. Kocham was, słuchacze Uniwersytetu Trzeciego Wieku, po raz pierwszy ktoś dobrze odpowiedział! Tak jest, wspaniale.

A jak nazywają się aktorzy na zdjęciu na dole? Czy wiecie, że niezależnie od wieku, za każdym razem, gdy zadaję pytanie co to za aktorzy, słyszę „Leonardo diCaprio”. I zawsze są to bardzo cienkie głosy. Tak, zgadza się. Scenariusz Szekspira, kompletnie różne produkcje. W porządku? I właśnie tak działa nasze DNA. Właśnie to możemy zrobić z naszym DNA.

A zatem co jest nowego? Cóż, w ciągu ostatnich dwudziestu lat czy coś koło tego, w epigenetyce zaczęły się dziać cudowne rzeczy, a najlepszym sposobem, w jaki mogę to przekazać jest posłużenie się zdjęciem z tego filmu. Co to za film? ”Wehikuł czasu”. Bardzo, bardzo dobrze. ”Wehikuł czasu”. Czy ktoś zna ten wehikuł czasu, który tam widać? W którym sitcomie pojawił się niedawno, stosunkowo niedawno? Bardzo dobrze, ”Teoria wielkiego podrywu”. Świetnie, bardzo dobrze. W ”Wehikule czasu” jest wspaniała scena.

Rod Taylor, który niedawno zmarł, gra podróżnika w czasie. W tym momencie w filmie dopiero stworzył model swojego wehikułu czasu. I zbiera swoich kumpli naukowców. Film dzieje się w czasach edwardiańskich i został nakręcony w latach 60-tych, więc oczywiście wszyscy naukowcy, którzy przychodzą zobaczyć wehikuł to mężczyźni, prawda? Zatem wszyscy ci goście siedzą wokół stołu i pytają wspaniałego podróżnika w czasie:

„W jaki sposób będzie działać twój wehikuł czasu?” A on odpowiada: „Cóż, podróżnik w czasie będzie siedział na tym małym siedzeniu i kiedy będzie chciał się przenieść w przyszłość, popchnie tę dźwignię do przodu, a kiedy będzie chciał wybrać się w podróż w przeszłość, pociągnie tę dźwignię do tyłu”. Oni wszyscy mówią: „Aha, w porządku”, tak jakby udzielił wyjaśnienia. Ale oczywiście nie wyjaśnił tego, jedynie to opisał.

Jak dotąd ja też wyłącznie opisywałam wam epigenetykę. Powodem, dla którego obecnie tak ekscytujemy się tą dziedziną biologii jest to, że mamy nie tylko opis, ale też wyjaśnienia. A wszystkie te wyjaśnienia łączą się z tym. Oto jak wygląda DNA w komórce, choć nie jest różnokolorowe.

Jest tu słynna podwójna helisa DNA, ale nie znajduje się ona w naszych komórkach jak długa włóknista cząsteczka. Jest owinięta wokół ośmiu cząsteczek białka. Każda z tych cząsteczek uformowana jest w kształt pięści. Istnieje skupisko ośmiu z nich i można zauważyć, że z cząsteczek białka wystają ogony.

Mamy więc 8 białek razem, owinięte wokół nich DNA, wystające ogony. Obraz ten przedstawiał punkt kulminacyjny ogromu pracy wykonanej przez wielu badaczy. Wygenerowanie danych, które umożliwiły stworzenie tego obrazu, kosztowało miliony. Jest fantastyczny, ale z mojego punktu widzenia, jakim jest próba komunikowania czegoś o nauce, niesie ze sobą pewne ograniczenia. Jednym z nich jest to, że dla osób nieprzyzwyczajonych do tego rodzaju obrazów, jest on odrobinę przytłaczający. Zawsze, gdy go pokazuję, słyszę „uuu” z widowni. Jest to zatem trochę przytłaczające. Co to jest epigenetyka.

Innym problemem, jaki się z tym wiąże z mojego punktu widzenia jest to, że bardzo trudno go przystosować, żeby pokazać rzeczy, które chcę wam pokazać. Zdecydowałam więc, że potrzebna mi ulepszona wersja.

Stworzyłam taką. Moja wersja jest ulepszona, ponieważ nie kosztowała milionów i byłam w stanie ją przystosować, by pokazać wam rzeczy, które musiałam wyjaśnić, a kiedy ją przystosowałam i sfotografowałam, to ją zjadłam. Ponieważ moja wersja składa się z truskawkowych lukrecji, pianek i żelków.

Z truskawkowych lukrecji zrobiłam DNA. Oczywiście nie próbowałam stworzyć podwójnej nici, bo posunęłabym się za daleko w moim żarcie opartym na słodyczach, ale to one uosabiają DNA.

Pianki reprezentują te 8 białek, o których wam mówiłam. Jest 8 białek w kształcie ryby. A wykałaczki wystające sprytnie w ten sposób to ogony, które wam pokazywałam. Co się dzieje w komórce? DNA owija się wokół skupiska ośmiu białek. Mamy tam już trochę DNA, które następnie owija się wokół kolejnego skupiska ośmiu białek. I tak dalej i tak dalej i tak dalej.

W naszych komórkach istnieją więc miliony tych skupisk ośmiu białek. A jeden gen, jeden fragment DNA, który koduje białko owinięty jest wokół wielu skupisk, okej? Zatem to jest podstawowa struktura. Ale w jaki sposób pomaga nam to pójść dalej w zrozumieniu co się dzieje z naszymi genami?

Czy są na sali aktywni lub byli nauczyciele? Okej, to będzie coś dla was. Wyobraźmy sobie, że już bliżej niż dalej do końca semestru, tak? Idziecie do domu i myślicie: „Wypiłbym mały kieliszek dżinu dla relaksu”. Okej? Pijecie więc mały kieliszek dżinu, a semestr trwa nadal, wydaje się, że nie ma końca. Zaczynacie uświadamiać sobie, że teraz potrzebujecie dwóch małych kieliszków dżinu dla relaksu. A powodem, dla którego potrzebujecie dwóch małych kieliszków dżinu, podczas gdy wcześniej potrzebowaliście tylko jednego jest to, że wasz organizm szybciej rozkłada alkohol. Włączył wyższą ekspresję genu rozkładającego alkohol. A robi to w taki sposób. No może nie dokładnie w taki.

To jest gen odpowiedzialny za rozkład alkoholu, prawda? Gdy do organizmu dostaje się dużo alkoholu, w wątrobie wytwarzają się sygnały i na ogonach tych białek pojawiają się drobne modyfikacje sprytnie przedstawione za pomocą zielonych żelków, okej? Modyfikacje te zasadniczo ułatwiają włączenie się tego genu. Zatem one przyspieszają ekspresję genów.

Powiedzmy, że rozpoczęły się letnie wakacje, tak? Po tygodniu czy dwóch zaczynasz myśleć: „Powinienem naprawdę trochę odpuścić sobie gin.” Nie ma sensu, żeby twoja wątroba nadal produkowała duże ilości enzymu rozkładającego alkohol, bo już go nie pijesz. A zatem te zielone modyfikacje, zielone żelki, które zasadniczo mówiąc włączają ten gen, zostają usunięte i zastąpione przez fioletowe żelki, które sygnalizują: „Wyłącz ten gen. Nie ma w tej chwili potrzeby rozkładania alkoholu.” Jest to więc sposób włączania i wyłączania genów. W rzeczywistości jest to znacznie bardziej skomplikowane. Wyobraźcie sobie świat, w którym istnieje jakieś 60 smaków żelków – jestem taka szczęśliwa, gdy wyobrażę sobie ten świat, prawda? Można więc mieć 60 różnych kolorów żelków w tym skupisku. Mogą one występować w najróżniejszych kombinacjach. Nie musi być tak, że są same zielone albo same fioletowe. Można to wszystko zobaczyć, to, co… I one wszystkie mogą wpływać na ekspresję genów w różnych ilościach. Można zatem dostrzec, że możesz mieć całą gamę ekspresji, nie tylko włączone lub wyłączone, ale też wszystko, co jest pomiędzy, okej?

Można więc wprowadzić olbrzymią elastyczność do sposobu, w jaki odbywa się ekspresja genów.

Jednak, jeśli mamy sytuację, w której występuje wiele fioletowych żelków na wielu skupiskach białek na tym samym obszarze, modyfikacjom może ulec także samo DNA, reprezentowane przez żółte żelki. DNA mówi: „Traktuję to poważnie. Nie chcę, żeby ten gen się wyłączył.”

Mogą wystąpić bardzo wysokie poziomy tej modyfikacji DNA, a kiedy to się dzieje, cały obszar DNA marszczy się, staje się niebywale zwarty, a geny tak naprawdę nigdy nie mogą zostać włączone. A zatem modyfikacja zamyka ekspresję genów właściwie na stałe – ekspresję tego genu.

To dlatego na przykład geny w naszym mózgu nie prowadzą do uzyskania ekspresji genu kodującego hemoglobinę, która transportuje tlen we krwi. Są ściśnięte razem we wczesnym rozwoju i na zawsze pozostają wyłączone. Tak więc mamy…możemy użyć tego rodzaju modyfikacji do wyłączenia ekspresji genów na zawsze poprzez to ściśnięcie lub możemy mieć bardziej otwartą sytuację, w której ekspresja genów może być zróżnicowana w zależności od czynników środowiskowych. Wszystkie te modyfikacje noszą nazwę modyfikacji epigenetycznych, ponieważ są dodane, występują oprócz podstawowego kodu genetycznego. One wszystkie zmieniają prawdopodobieństwo ekspresji genów, ale nigdy nie zmieniają sekwencji. Gen nadal koduje dokładnie tę samą rzecz.

Jest to zatem fascynujący system. Jest fascynujący sam w sobie, lecz także z powodu wpływu, jaki wywiera na nas. Modyfikacje epigenetyczne naprawdę mają znaczenie w kontekście zdrowia i chorób człowieka, bo czasami coś z nimi idzie nie tak. Wiemy, że dzieje się to w konkretnych rodzajach nowotworów. Mamy leki, które naprawdę pomagają zmienić modyfikacje epigenetyczne, które leczą konkretne rodzaje nowotworów z dużą skutecznością. Firmy farmaceutyczne wydają miliardy funtów na odkrycie większej liczby takich leków. Jednak sądzimy też, że jeśli modyfikacje epigenetyczne przebiegają nie tak, jak trzeba lub na przykład zostały określone w nieprawidłowy sposób w zbyt wczesnym wieku, to może to wpłynąć na wiele aspektów zdrowia człowieka, w szczególności na choroby przewlekłe bądź schorzenia takie, jak reumatoidalne zapalenie stawów lub cukrzyca typu 2.

Są to sytuacje, w których ktoś jest chory przez bardzo długi czas i pozostaje chory i być może jego stan stopniowo się pogarsza. W tych sytuacjach ekspresja genów staje się coraz bardziej rozregulowana i sądzimy, że może za to odpowiadać epigenetyka. Istnieje jednak szczególnie zdumiewający tego przykład w działaniu, który jest obecnie badany, a żeby o nim myśleć, musimy wrócić myślami do Jezuitów. Sądzę, że Jezuici powiedzieli: „Daj mi dziecko zanim skończy 7 lat, a ja ci oddam mężczyznę.” Tak naprawdę odnosi się to w dziwny sposób do jednego z największych fenomenów wydawniczych ostatnich lat, jakim jest pojawienie się pamiętników opisujących trudne dzieciństwo.

To jest autentyczna fotografia z księgarni. Tak… „Tragiczne historie z życia.” Urocze. Najsłynniejszym przykładem jest książka p.t. „A Child Called It.” Znajdowała się na liście bestsellerów „New York Timesa” przez 6 lat.

Istnieje duże zapotrzebowanie na tego rodzaju książki i wszystkie one opierają się na tej samej historii: dziecko jest w dzieciństwie strasznie zaniedbywane i wykorzystywane, ale jakimś sposobem to przezwycięża i staje się szczęśliwym, odnoszącym sukcesy dorosłym.

Podejrzewam, że jednym z powodów tak dużej popularności tych książek jest to, że my faktycznie wierzymy, iż te opowieści stanowią wyjątek. Wszystkie dane socjologiczne wykazują, że jeśli dziecko ma okropne dzieciństwo, to w dorosłym życiu istnieje znacznie większe ryzyko problemów takich, jak alkoholizm, uzależnienie od narkotyków, skłonności samobójcze oraz choroby psychiczne, w tym głęboka depresja, a także schizofrenia.

Okropne dzieciństwo to straszny początek życia, a jeśli zapytasz kogoś dlaczego tak jest…ponieważ to jest prawda, nawet jeżeli dziecko zostaje zabrane z tego straszliwego otoczenia i przeniesione w bardziej troskliwe środowisko, nadal istnieje większe ryzyko tych chorób psychicznych u dorosłych… Zatem pytasz kogoś, dlaczego tak jest. Dlaczego to, co zdarzyło się w dzieciństwie ma wpływ na to, co dzieje się w dorosłym życiu? W odpowiedzi prawie zawsze usłyszysz, że dziecko zostało zniszczone psychicznie, co jest bez wątpienia zgodne z prawdą i zupełnie bezużyteczne. Bo to jest opis, nie wyjaśnienie.

Nie możemy zbadać, co dzieje się na poziomie cząsteczkowym w czyimś mózgu, ale dla kogoś takiego, jak ja, kto jest naukowcem… Ja mam silne przeświadczenie, iż rzeczy posiadają fizyczną podstawę. Tak więc coś się musi dziać, ale nie możemy tego zrobić z dziećmi.

Przeprowadza się jednak eksperymenty wykorzystując system modeli, czyli w zasadzie szczury, prawda? Małe szczury ubóstwiają, gdy się je kocha. Totalnie ubóstwiają, gdy się je kocha, a kiedy jesteś małym szczurem, to odczuwasz, że jesteś kochany wtedy, gdy matka dużo cię liże i myje, tak? Istnieją szczurze matki, które są naprawdę dobre w lizaniu i myciu i są naprawdę dobre dla całego swojego miotu. Istnieją też inne szczurze matki, które są odrobinę nieudolne i wykonują absolutne minimum lizania i mycia. I podobnie – są takie dla całego swojego miotu, prawda?

Powiedzmy, że bierzemy małego szczurka, który był bardzo kochany i pozwalamy mu dorosnąć. Będąc mały, jest szczęśliwym szczurem. A my pozwalamy mu dorosnąć. Małe szczury nie są takie jak ludzkie niemowlęta, prawda? Po kilku tygodniach opuszczają swoją szczurzą matkę. Kręcą się czekając na swój udział w hipotece, tak? Można dużo powiedzieć o małych szczurach. No dobrze.

Zatem małe szczury. Szczęśliwy mały szczur dorasta, a kiedy rośnie, stykasz go z umiarkowanie stresującym bodźcem. I dorosły szczur po prostu tak jakby się wzdryga. To szczur, któremu wszystko jedno, jest bardzo wyluzowany. Jednak, jeżeli mały szczurek nie był często lizany i myty i pozwalasz mu dorosnąć i stykasz go z tym samym umiarkowanie stresującym bodźcem, szczur omal nie wyskakuje ze skóry, staje się wysoce zestresowanym dorosłym osobnikiem.

Tak więc widzimy, że istnieje całkiem dobra analogia z dzieckiem, które otrzymało okropne wychowanie i które staje się wysoce zestresowanym dorosłym. Kiedy popatrzycie na rzeczy takie jak poziomy hormonów stresu u szczurów, te, które były kochane jako młode osobniki mają niskie poziomy hormonów stresu jako dorosłe. Te, które zaniedbywano, w tym sensie, że nie były wystarczająco często lizane i myte, mają wysokie poziomy hormonów stresu.

To bardzo podobne do tego, co widzimy u dorosłych, którzy mieli straszne dzieciństwo. W zupełności zależy to od tego, czy dziecko było kochane, bo jeśli przeprowadza się eksperymenty wychowawcze i zabiera młodego osobnika z jednego miotu, młodego szczurka z jednego miotu, którego matka lizała i myła i przenosi się go do matki, która nie liże i nie myje, uzyskuje się zły rezultat u dorosłego szczura. Wydaje się, że jeżeli małe szczury są często lizane i myte, ich organizmy produkują serotoninę, neuroprzekaźnik związany z odczuwaniem szczęścia. Tworzy to konkretny wzorzec modyfikacji epigenetycznych określonych, istotnych genów zaangażowanych w reakcję na stres.

Powstają one we wczesnym dzieciństwie, że się tak wyrażę, i pozostają w komórkach mózgu danego szczura przez resztę jego życia. Staje się on albo zestresowanym albo szczęśliwym dorosłym szczurem w zależności od tego wczesnego uwarunkowania. Mocno kontrowersyjne badanie, ale naprawdę bardzo intrygujące.

Teraz zapoznam was z czymś jeszcze dziwniejszym. Tu na tym slajdzie mamy patyczaka, mamy małą rybkę, całkiem piękną salamandrę, uroczego warana z Komodo – jestem wielką fanką waranów z Komodo – oraz ziębę. Wszystkie te zwierzęta, w rzeczywistości te konkretne, które reprezentują olbrzymi odsetek świata zwierząt, potrafią zrobić coś, czego nie umieją ssaki. Czy ktoś wie, co takiego? Tak, słyszę różne… Tak, wydaje mi się, że usłyszałam.

U wszystkich tych zwierząt, łącznie z ziębą, występuje dzieworództwo. Zatem nawet… Zatem zięby, samiczki trzymane w niewoli, które nigdy nie zbliżyły się ani na milimetr do samca, mogą złożyć jaja, które dadzą życie, które urodzą, dadzą życie żywemu, młodemu osobnikowi. Ssaki tego nie potrafią. Do reprodukcji ssaków konieczne są samiec i samica. I tak naprawdę wydaje się to całkiem jasne.

W pewnym sensie myślimy: „Oczywiście, że tak musi być.” Ale dlaczego? Dlaczego oczywiste jest, że tak musi być? Jest to przykład jednego z tych eksperymentów, które zostały tak pięknie opracowane, że myślisz: „Mój Boże, to takie oczywiste, prawda?” Kiedy już ktoś to zrobił.

Piękna praca wykonana przez Azima Surani w Cambridge w latach 80-tych. Wziął jajo myszy – prawda? – i wyjął z niego jądro.

Potem włożył z powrotem do tego jajka albo dwa jądra plemnika albo dwa jądra komórki jajowej albo jajeczko i plemnika. Sposób, w jaki to zrobił, wszystkie te sytuacje były genetycznie identyczne. Tak więc niezależnie od tego, czy jajo otrzymało dwa jądra komórki jajowej czy dwa jądra plemnika czy jajeczko i jądra, jądro, plemnika, to była dokładnie ta sama sytuacja pod względem sekwencji DNA. Następnie wszczepił jaja z powrotem ciężarnym samiczkom myszy. Jeśli użył dwóch jąder komórki jajowej, nie było żywych myszy. Jeżeli użył dwóch jąder plemnika, nie było żywych myszy.

Ale jeśli użył jądra komórki jajowej i jądra plemnika, urodziły się żywe myszy. Ponieważ sytuacje te są genetycznie identyczne, mówi nam to, że powodem, dla którego przy dokonywaniu reprodukcji ssaków niezbędne są samiec i samica jest to, że coś jeszcze znajduje się w komórkach jajowych i plemnikach oprócz informacji genetycznej, co jest konieczne do powstania życia. Ta informacja, którą trzeba mieć, ta dodatkowa informacja, to informacja epigenetyczna. Istnieją konkretne obszary naszego genomu – i dotyczy to wszystkich ssaków – na których występują niewielkie modyfikacje genetyczne. W zasadzie są to te żółte żelki na DNA informujące: „Pochodzę od mamy” lub „Pochodzę od taty.”

Kontrolują określone poziomy ekspresji genów, które są absolutnie kluczowe do utrzymania rozwoju. To dlatego u ssaków nie istnieje dzieworództwo. Konieczna jest informacja epigenetyczna od mamy i od taty. Idąc dalej, oto dziwaczne badanie wykonane na myszach. To są moje ulubione myszy.

Nie wiem nawet dlaczego mam ulubione myszy, ale po prostu mam, tak? Widzicie tutaj żółte myszy agouti Avy.

Mamy więc chudą, brązową mysz po prawej stronie i tę wspaniałą, grubą, złotą mysz po lewej. Jest taka urocza, prawda? Naprawdę. W rzeczywistości otrzymuje się również wszystkie odmiany pośrednie, ja pokazałam wam tylko skrajne przypadki. Dziwną rzeczą dotyczącą tych myszy jest fakt, że pod względem genetycznym są absolutnie identyczne. Nie ma żadnej różnicy nigdzie w kodzie DNA tych dwóch myszy. Są hodowane w absolutnie identycznych warunkach.

Nie ma to więc nic wspólnego ze sposobem, w jaki były chowane. Czemu zatem tak bardzo się różnią? Za sprawą epigenetyki. Zaledwie jeden fragment ich genomu. W DNA występuje inny model tych żółtych żelków i to zmienia ekspresję jednego genu, a w efekcie można uzyskać chudą, brązową mysz bądź złotą, grubą mysz i można też otrzymać wszystkie odmiany pośrednie jedynie za sprawą kilku modyfikacji epigenetycznych w jednym miejscu w genomie. Pokazuje nam to, jak znaczące mogą być zmiany epigenetyczne. Ale autorzy tego badania pokazali nam coś jeszcze.

Widzicie, grube, żółte myszy mają zazwyczaj wysoki odsetek grubych, żółtych dzieci, zaś chude, brązowe myszy zwykle mają wysoki odsetek chudych, brązowych dzieci. Zasadniczo przekazują dalej informację epigenetyczną. Zatem chude, brązowe myszy przekazują chude, brązowe modyfikacje epigenetyczne, a grube, żółte myszy – grube, żółte modyfikacje epigenetyczne.

Dopóki nie poda im się alkoholu. Prawda? Strasznie podoba mi się pomysł, że można wrócić wieczorem do domu, wchodzi się i twoja druga połowa pyta: „Co dziś robiłaś w laboratorium, kochanie?” „Totalnie spiłam myszy, poważnie.” Coś cudownego. Podejrzewam, że to nie było Prosecco. Badanie zostało przeprowadzone w australijskim laboratorium, więc musiało to być Shiraz czy coś takiego.

Tak czy inaczej, podali samiczce myszy alkohol. Kiedy się to zrobi, grube, żółte myszy mają inny odsetek grubego, żółtego potomstwa, zaś chude, brązowe myszy mają inny odsetek chudego, brązowego potomstwa.

Alkohol zmienia epigenetykę i zmienia też wygląd miotu. A zatem te fragmenty informacji łącznie prowadzą nas do naprawdę jasnych myśli. Informacja epigenetyczna przekazywana jest z rodzica na dziecko. Wiemy to. Musi tak być. Inaczej reprodukcja ssaków nie mogłaby mieć miejsca. A grube, żółte myszy zwykle mają liczne grube, żółte potomstwo. Przekazują dalej informację epigenetyczną. Wiemy także, że na tę informację wpływa środowisko. To jedna z głównych rzeczy, które nam ona umożliwia  – pozwala reagować na środowisko. Jednak wszystkie te eksperymenty, które właśnie wam przedstawiłam, prowadzą nas do pytania: czy rodzice mogą przekazywać swojemu potomstwu reakcje na środowisko z wykorzystaniem epigenetyki?

Kwestia ta została pięknie zbadana w tym doświadczeniu. No i znowu, niech wszyscy, którzy lubią myszy, zatkają uszy. Naukowcy użyli myszy, samców myszy, prawda?

Rozpylili zapach kwiatów wiśni, a następnie poddali myszy łagodnym elektrowstrząsom. Wiem. Ktoś zawsze mówi: „Oooo”… Powtarzali to raz za razem.

Jest to przykład typowego warunkowania klasycznego. A zatem w istocie dochodzimy do etapu, na którym mysz uczy się kojarzyć zapach kwiatów wiśni z czymś złym, co zaraz się wydarzy. Zaczyna więc trząść się ze strachu, gdy czuje zapach kwiatów wiśni, tak jak pewnie ja bym się trzęsła, prawda?

Naukowcy pozwolili tym samcom myszy rozmnożyć się. Zajęli się ich potomstwem. Zajęli się ich potomstwem i ponownie rozpylili zapach kwiatów wiśni. Żadnego elektrowstrząsu. Rozpylili po prostu zapach kwiatów wiśni, a myszy trzęsły się ze strachu. Odziedziczyły po swoich rodzicach traumę, reakcję w postaci strachu. Fajną rzeczą w tym eksperymencie jest to, że tak naprawdę przeprowadzająca go grupa miała olbrzymią wiedzę na temat tego w jaki sposób wyczuwa się zapach, jak geny z wykorzystaniem epigenetyki włączają się w mózgu po to, by mogły wyczuwać określone zapachy i które komórki w mózgu zbadać.

Parental olfactory experience influences behavior and neural structure in subsequent generations
https://www.nature.com/articles/nn.3594

Byli w stanie wykazać, że to pierwsze pokolenie miało wszystkie spodziewane zmiany w komórkach mózgu pod względem epigenetyki oraz włączania konkretnych genów, ale tak samo było w przypadku potomstwa.

To wyjątkowe odkrycie, które jest także kompletną herezją. Kim jest ten gość z niesamowitymi bokobrodami?

Lamarque. Dokładnie. Co to za drugie zwierzę? Żyrafa. Tak, bardzo dobrze. Tak więc, jak wielu z was bez wątpienia wie, Lamarque przetarł szlaki dla Darwina. Był przed Darwinem. Próbował wyjaśnić w jaki sposób powstają różne gatunki i jak to się dzieje, że mamy w pewnym sensie różną dziedziczność.

Jednym z licznych przykładów, jakie podał, była długa szyja żyrafy. Lamarque wyjaśnił, że konkretne żyrafy wyciągają szyje, aby dosięgnąć najwyższych drzew, najwyżej rosnących liści. I to rozciąga ich szyje. Przekazują następnie rozciągnięte szyje swojemu potomstwu. Jest to więc przykład tego, że… Ich szyje stają się dłuższe poprzez rozciąganie i przekazują je dalej. Jest to cecha nabyta. Oczywiście w dzisiejszych czasach omalże śmiejemy się z Lamarque’a. Co za niedorzeczność. Nic takiego nie ma miejsca. Wiemy, co się dzieje. To model Darwina. Niektórzy przodkowie żyrafy w naturalny sposób mieli dłuższe szyje.

Dawało im to selektywną korzyść i zostało przekazane potomstwu, ta zmiana genu, która zasadniczo pozwoliła im na posiadanie dłuższej szyi. Ale to, co opisuję jest tego przeciwieństwem, to myśl Lamarque’a. Jeżeli coś przydarza się rodzicowi, reaguje na to, co jest cechą nabytą, i przekazuje to swojemu potomstwu.

Tak więc kwestia ta jest przedmiotem olbrzymiej liczby sporów. Ale jedną z przyczyn, dla których toczy się tak wiele sporów na ten temat – poza faktem, że niektórym ludziom bardzo nie pasuje pomysł, że koncepcje Lamarque’a mogły kiedykolwiek istnieć – jest to, że eksperymenty te muszą być przeprowadzane z niebywałą ostrożnością.

Oto wspaniały przykład. I znowu, przepraszam, myszy. Weźmy małą mysz, prawda? Wkładasz ją do klatki z dużą myszą i nie pozwalasz jej uciec. Mała mysz – bo myszy zawsze uciekają od kłopotów – mała mysz staje się coraz bardziej przerażona. Przestaje jeść, staje się bardzo nerwowa itd. Zatem naukowcy w ten sposób wywołali przerażenie u małych myszy, a następnie połączyli je z samiczkami. Urodziło się karłowate potomstwo. Interpretacja była taka, że samiec przekazał swoją traumę. Był karłowaty i przekazał to dalej. Cecha nabyta.

Wiecie, był poniżej standardu. Jednak wtedy ktoś zrobił coś naprawdę mądrego. Powtórzył dokładnie to badanie, lecz zamiast wprowadzać przerażonego samca myszy do klatki z samiczką, pobrał jego nasienie. Nawet nie chcę myśleć jak to w ogóle opisać… Badacze pobrali nasienie myszy – och, mam jakieś okropne wizje… Pobrali nasienie myszy i sztucznie zapłodnili samiczkę.

Całe potomstwo miało absolutnie normalne rozmiary. Nie stało się tak, że samiec przekazał swoją traumę. Tak naprawdę samiczka, zobaczywszy, że zbliża się ten karłowaty, mały osobnik, zdała sobie sprawę, że połączono ją z samcem faktycznie niższej kategorii. Myślę o tym w ten sposób, że zamówiłam George’a Clooney, a przysłano mi Danny’ego DeVito. Prawda? Kiedy nie widziała, że dostała mysz Danny’ego De Vito, urodziło się całkowicie normalne potomstwo.

Oczywiście widzimy dzięki temu, że nie był to przekaz epigenetyczny z ojca na potomstwo. Daje to początek bardziej interesującemu pytaniu, które brzmi: jak do cholery samiczka to robi? Nikt tego nie wie. Nie mamy zielonego pojęcia w jaki sposób samiczka radzi sobie z ograniczeniem rezerw kalorii, kiedy sądzi, że połączono ją z karłowatym samcem. Pokazuje nam to jednak jak bardzo musimy być ostrożni prowadząc te eksperymenty.

Żałuję, że nie mam czasu, by przedstawić wam wszystkie fakty naukowe z dziedziny epigenetyki, a jest ich bardzo wiele. Jestem pewna, że nikogo na tej sali to nie interesuje, ale epigenetyka odgrywa rolę w starzeniu się. Nie jest najważniejszą rzeczą, ale odgrywa rolę.

– Bliźnięta. Genetycznie identyczne bliźnięta mają dokładnie ten sam kod DNA, a jednak im są starsze, tym mniej są do siebie podobne. To dlatego, że zaczynają odbiegać od siebie epigenetycznie – czasem w odpowiedzi na różne otoczenie, jeśli miały różne przeżycia, a czasem po prostu na skutek przypadkowego dryftu epigenetycznego. Może to przyjąć ekstremalną postać. Jeżeli weźmiemy identyczne bliźnięta, z których jedno ma schizofrenię, istnieje prawdopodobieństwo jeden do dwóch, że drugie też będzie chorowało na schizofrenię. Bardziej interesującym pytaniem pod pewnymi względami jest dlaczego nie istnieje stuprocentowe prawdopodobieństwo.

Przypuszczalnie przynajmniej częściowo powodem jest modyfikacja epigenetyczna między tymi bliźniętami.

– Koty szylkretowe ze wspaniałym czarnym i brązowym umaszczeniem są w całości efektem wpływu epigenetyki, co w rzeczywistości wiąże się z wyłączeniem jednej kopii chromosomu X, żeńskich chromosomów u kotów. Wszystkie szylkrety to samice. Jeśli trafi się, że macie samca, to jest on bezpłodny. Wszystko to wiąże się z oddziaływaniem epigenetyki.

– Pszenica… Przepraszam, nie pszenica, jęczmień ozimy i wiele innych roślin potrzebuje okresu zimna zanim zakwitną. Jest to całkowicie powodowane przez modyfikacje epigenetyczne różnych genów w określonej kolejności i de facto epigenetykę totalnie akceptuje się w świecie roślin, wszyscy wiedzą o tym od lat, to tylko my, ssaki, zachowujemy się, jakbyśmy odkryli coś niezwykłego. Ludzie zajmujący się roślinami nie mają najmniejszego problemu z epigenetyką.

– Co to za owca? Dolly! Doskonale, doskonale. Zawsze w tym momencie muszę nadmienić, że na tym zdjęciu jest martwa. To nie tak, że była najważniejszą owcą na świecie i dlatego obwozili ją na wózku, zdjęcie zostało zrobione po jej śmierci w Szkockim Muzeum Królewskim. To epigenetyka powoduje, że możemy klonować zwierzęta. Jest także powodem, dla którego bardzo trudno je klonować, a klony są zwykle słabszego zdrowia niż dorosłe osobniki.

– Pszczoły, robotnice i królowa – nie istnieje nic, dzięki czemu można by je odróżnić genetycznie. Nie można wyjąć DNA i stwierdzić, które pochodzi od robotnicy, a które od królowej. Czy ktoś pamięta, co powoduje rozwój królowych? Mleczko pszczele. Jak najbardziej. Karmi się je mleczkiem pszczelim odrobinę dłużej. Zatem wszystko, co wydarzyło się u rozwijających się pszczół zależało od tego, jak długo karmiono je mleczkiem pszczelim. Różnica fenotypowa między robotnicami a królową jest niesamowita. Najbardziej uderzającym tego przykładem jest fakt, że królowe pszczoły żyją około dwadzieścia razy dłużej niż robotnice. Jeżeli odniesiemy to do ludzi, żyjemy w czasach królowej Elżbiety…Pierwszej i jesteśmy dopiero w połowie jej panowania.

Oto jak olbrzymia jak zmiana fenotypowa i to zdecydowanie wiąże się ze zmianami epigenetycznymi ekspresji genów. Tak więc to są te wszystkie tematy i jest ich znacznie więcej, ale niestety nie mam czasu, żeby wam o nich opowiedzieć.

Jednak na szczęście tak się złożyło, że napisałam o tym książkę. I wiecie co? Sprzedają ją na dole. Najwyraźniej jest tu jakaś miła osoba z Blackwell’s  i ma jej egzemplarze.

Pierwsza z nich to „Epigenetics Revolution”, a moja nowa książka, „Junk DNA”, ukazała się dopiero co, 3 tygodnie temu. A zatem cóż za cudowne zgranie w czasie! Tak więc nadal nie rozumiemy całego mnóstwa kwestii związanych z epigenetyką i sądzę, że to dlatego jest tak ekscytująca. Bo biologia, o której wiemy wszystko, jest okropnie nudna. Teraz chcę już wam tylko podziękować, że byliście tak wspaniałym audytorium.

Zobacz na: W prosty sposób o metylacji – Czym jest metylacja?
Geny „chorobotwórcze” a flora jelitowa – mikrobiom – dr Art Ayers
Odporność niemowląt – cz. 1 – Ciąża [Epigenetyka i mikrobiom] – dr Suzanne Humphries
Ratujmy się: Elementarz Medycyny Ekologicznej – Dr Józef Krop

 

Co to jest epigenetyka – dr Nessa Carey – napisy PL